妈湾跨海盾构隧道人员疏散模式研究

曾艳华， 李 杰， 彭康夫， 韩 通， 张先富

(1. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031；2. 中国中铁二院工程集团有限责任公司， 四川 成都 610031)

0 引言

水下盾构隧道具有通往地面的通道少、空间狭小和疏散横通道间距较大的特点[1]，造成紧急情况下的疏散和救援困难。国内一些学者对水下隧道的人员安全疏散条件进行了研究，如： 方正等[2]分析了常见的城市水底隧道的人员疏散方式以及相应的疏散通道参数； 徐永等[3]基于改进RSET计算法以及Monte Carlo随机数值试验方法，对不同疏散方案失效概率进行分析,得出横通道方案优于纵横结合逃生方案的结果； 李削云等[4]采用经验计算理论和Building EXODUS计算软件，从被困人员的安全疏散时间、高温烟气的影响、隧道横通道的利用率以及人员的疏散行为特性出发，提出安全疏散时间应控制在8 min之内。公路隧道的人员疏散特点与水下公路隧道具有一定的相似性，在公路隧道的人员疏散方面一些学者也进行了研究，如： 张玉春等[5]建立了公路隧道横通道疏散实验平台，研究了人员在紧急逃生和正常情况行走时不同宽度对人员疏散行为的影响； 陈长坤等[6]对长大公路隧道火灾安全疏散性能进行了研究； 方银钢等[7]对上海长江隧道火灾疏散救援措施进行了研究。上述研究主要集中于疏散通道参数设置以及特定疏散形式下的安全性分析，而对水下隧道的疏散模式研究较少，且人员逃生的最佳疏散通道参数以及需用疏散时间(RSET)在不同的疏散模式下也不一致，排烟参数的安全性也应在最不利疏散模式下进行验证。

本文基于水下盾构隧道不同的疏散模式，结合人员在火灾情景下疏散的安全准则[8]，开展不同疏散模式下疏散通道参数研究，并验证其安全性，以期为水下隧道人员逃生设施的设计提供参考。

1 人员疏散基础参数

采用Pathfinder仿真疏散软件对水下盾构段不同疏散模式下疏散口间距进行研究，主要涉及到的基础参数有隧道内车辆数量和分布以及疏散人员的组成[9]。

1.1 依托工程

妈湾跨海隧道是深圳市沿江高速月亮湾大道的组成部分，规划为城市快速路，设计速度为80 km/h，双向6车道。盾构段标准横断面车行道宽为12.25 m，隧道全宽31.5 m。隧道组成为“两端明挖暗埋+中部盾构隧道”结构形式，以中部2 300 m盾构隧道为对象展开人员疏散研究。本隧道消防设计选用灭火器、消火栓系统和泡沫-水喷雾系统相结合的方案。

1.2 基础参数

1.2.1 车辆组成

妈湾跨海隧道靠近疏港码头，进出车辆以大货车居多。参照国标典型客车类型划分等级类型标准[10]，对该隧道内行驶车辆的车辆情况进行划定，如表1所示。

表1 隧道车辆类别组成Table 1 Composition of tunnel vehicles

结合资料和隧道中远期的交通量设计以及隧道主要路口的交通流量情况，得到交通量最大的路口在“听海大道进出口—大铲湾进出口1”处。换算成混合车，按车辆比例建立疏散层模型，1个单元的车辆比例为： 集卡车∶中货车∶小货车∶大客车∶小客车=14∶1∶1∶2∶6，如图1所示。

图1 单位疏散单元内车辆组成Fig. 1 Composition of vehicle in each evacuation unit

1.2.2 疏散人员组成

模型中的人员组成如表2所示，确定了人员身高、臂宽、占比等重要参数。

表2 疏散人员组成Table 2 Composition of evacuation personnel

1.2.3 疏散人员总数

根据1个单元内布置车辆的比例以及盾构隧道的总长度，得到总单元数，所有车辆按满载计算，得到盾构隧道总疏散人数为2 691人。

1.3 模拟计算参数

疏散模拟时间步长设为0.025 s，模拟限制时间为3 600 s，限制最大人员流率为1.32 pers/(s·m)。选择碰撞处理机制，计算模式为Steering模式[11]，盾构隧道内人员从疏散层达到安全层并向行车方向行走10 m处达到安全状态时结束模拟。

2 水下盾构隧道人员疏散研究

2.1 疏散模型

针对单层盾构隧道主要依靠滑梯和楼梯进行疏散的情况，并参考部分水下隧道的楼梯参数设置，模拟设置疏散层与安全层，楼梯高差为3.75 m，楼梯宽度为0.8 m，坡度为45°，梯步高0.18 m，隧道全长2 300 m。疏散模型如图2所示。

2.2 楼梯间距对人员疏散的影响

楼梯间距是影响人员疏散最为重要的参数之一[12]。选取楼梯间距为60、80、100 m，进行人员安全疏散模拟，楼梯走向及数量分布如表3所示。

(b) 正视图

(c) 俯视图图2 盾构隧道楼梯及疏散层示意图Fig. 2 Sketches of stairs and evacuation layers of shield tunnel

表3 不同间距下楼梯设置数量Table 3 Numbers of evacuation stair with different spacings

隧道入口处2#、3#楼梯间距为60、80、100 m时，对应疏散时间为15、30、60 s时的人员分布如图3—5所示。可知： 当楼梯间距为60 m时，楼梯口发生人员堵塞情况，易造成人员踩踏事故，对人员疏散的安全性有很大影响。而当楼梯间距为80 m和100 m时，疏散层的人员更多地分布在前往楼梯的路上，楼梯口的堵塞情况得到一定程度的缓解。

(a) 疏散时间为15 s

(b) 疏散时间为30 s

(c) 疏散时间为60 s图3 楼梯间距为60 m时人员分布

Fig. 3 Distribution of evacuation personnel when the spacing of stair of 60 m

(a) 疏散时间为15 s

(b) 疏散时间为30 s

(c) 疏散时间为60 s图4 楼梯间距为80 m时人员分布

Fig. 4 Distribution of evacuation personnel when the spacing of stair of 80 m

(a) 疏散时间为15 s

(b) 疏散时间为30 s

(c) 疏散时间为60 s

图5楼梯间距为100 m时人员分布

Fig. 5 Distribution of evacuation personnel when the spacing of stair of 100 m

各时段疏散总人数如表4所示。当疏散刚开始时，人员大部分在疏散层的路上，随着疏散进程的加快，疏散人数大幅增加。由表4可知： 当楼梯间距为60 m时疏散总人数最多，随着楼梯间距增大，疏散总人数呈现下降趋势。结合图3—5所示的模拟结果，为使得疏散时不发生人员堵塞且又不影响疏散效率，综合考虑建议楼梯间距为80 m。

表4各楼梯间距下不同时刻的疏散人数统计

Table 4 Statistics of evacuation personnel at different time and with different spacings of stair

楼梯间距/m疏散人数15s30s60s6001679048001246761000119531

2.3 滑梯间距对人员疏散的影响

因软件不能直接模拟出滑梯，故将楼梯进行参数折减，进而等效模拟出总时间，当与滑梯实际疏散时间相同时，此时楼梯的参数即为等效滑梯参数。根据等效设置，滑梯参数如下： 滑梯宽度为0.4 m，梯步高0.08 m，坡度为45°。

对滑梯间距为60、80、100 m时进行模拟。分别在隧道入口、中间、出口处各选取2部滑梯进行使用率分析，使用率采用各滑梯的入口、出口人员通过率来表示，具体选取楼梯编号如表5所示。要指出的是，因软件计算统计的数据量相对较少，对图形进行了低通滤波处理(low-pass filter)，滤波频率为0.05。

表5 滑梯编号Table 5 Slide number

各滑梯入口和出口的人员通过率如图6—7所示。从滑梯入口来看，当滑梯间距为60 m时，仅隧道出口处的通过率达到了2以上，其余位置均较低； 当间距扩大至80 m时，最大出口通过率已接近3； 当间距为100 m时，各滑梯整体通过率相对比较大，此时滑梯的整体通过率已得到提高。从滑梯出口来看，当间距较小时，整体通过率维持在0.8，当滑梯间距为80 m时，隧道中部、隧道出口的通过率得到了显著提升，最大值达到了1.86； 当间距为100 m时，在隧道入口、隧道出口处的通过率为2.5左右,此滑梯间距下人员逃生的通过率迅速提高。

不同滑梯间距下疏散人数和疏散时间关系如图8所示。由图8可知： 当滑梯间距为60 m时，同一时刻疏散人员最多，疏散速度最快，间距为80 m时次之，间距为100 m时最慢。

(a)间距为60m(b)间距为80m(c)间距为100m

图6 滑梯入口人员通过率

图7滑梯出口人员通过率

Fig. 7 Passing rate of evacuation personnel at slide exit

综合分析结果可知，较大的滑梯间距更有利于疏散进程的平稳进行，但过大的间距又会导致疏散时间过长，人员暴露于危险环境的时间增大。故综合考虑，建议滑梯间距取为60 m。

滑梯和楼梯耗费的疏散总时间对比如表6所示。在相同条件下，楼梯疏散时间比滑梯时间长，间距范围为60～90 m时，随着2种疏散方式间距的增大，疏散时间也在增大，其中间距为60～70 m时疏散时间增加幅度最大，故在此疏散间距下应该主要考虑使用滑梯进行疏散。

Fig. 8 Relationships between number of evacuation personnel and evacuation time under different stair spacings

2.4 “横通道+楼梯”组合间距对人员疏散的影响

在单层盾构隧道内进行人员疏散时，仅仅依靠楼梯不能很好地达到救援效果，还需要设置人行横通道进行疏散，此时的救援模式为“人行横通道+疏散楼梯”，如图9所示。

图9 “横通道+楼梯”模型图Fig. 9 Model of "cross passage+stair"

“横通道+楼梯”救援模式下疏散模型的人行横通道间距分别取为200、240、280 m。不同楼梯间距以及不同人行横通道间距下人员疏散所需时间如图10所示，可知： 当楼梯间距为60 m时，随着人行横通道间距的增大疏散时间越来越短，此时较短的人行横通道间距会加剧人员疏散的拥堵； 当楼梯间距为80 m时，人行横通道间距对人员疏散的影响有限； 当楼梯间距扩大至90 m时，240 m的人行横通道间距能更好地满足人员疏散的需求。因此，建议当楼梯间距为60～80 m时，为防止出现拥堵现象，人行横通道间距可在240～280 m取值； 当楼梯间距为80～90 m时，人行横通道间距不宜过大，应控制为200～240 m。

Fig. 10 Relationship between spacing of "cross passage+stair" evacuation mode and evacuation time

3 安全疏散范围研究

以单层盾构隧道为研究对象，开展不同排烟方式下的安全范围的研究，主要的判定基准为人体耐受极限，即温度60 ℃红线、CO体积分数、能见度10 m红线。

3.1 不同排烟方式下可用疏散时间研究

按隧道排烟口状态可以分为3种工作状态： 1)当关闭排烟口时(重点排烟失效情况)，即纵向排烟，此时的排烟风速即为临界风速，控制烟气沿一端蔓延； 2)开启火灾点上下游的排烟口，此时的排烟方式为半横向重点排烟(同时开启上下游排烟口)； 3)当只开启下游排烟口，将烟气控制在下游一定范围，此时的排烟也称作半横向重点排烟(只开启下游排烟口)。重点排烟失效和只开启下游排烟口的区别在于只开启排烟口能够将烟气控制在下游一定范围内，不会充满整个下游区域，当下游发生堵塞时，这样更有利于人员逃生，故其重要性不言而喻。

对不同排烟方式下的最佳风速工况进行研究，如表7和表8所示，得到了其对应的人体耐受极限指标，据此对人眼高度处的温度60 ℃红线、CO体积分数300×10-6、能见度10 m红线3种的前锋进行对比，以蔓延速度最快的指标判定可用疏散时间(ASET)。

表7 盾构隧道风速工况模拟表Table 7 Simulation of wind speed in shield tunnel

表8 开启不同排烟口下主要影响因素前锋蔓延距离Table 8 Spreading distance of peak value of main factors under different smoke vent opening strategies

3.2 RSET与ASET对比分析

综合上述3种疏散模式下人员疏散时间的研究，仅依靠楼梯的模式所耗费的疏散时间最长，故本节以仅依靠楼梯的疏散情景为例，将其作为需用疏散时间(RSET)。结合上文对可用安全疏散时间(ASET)的研究，3种排烟口开启策略下ASET与RSET对比如图10所示。

由图10可知： 效果最好的是同时开启上下游排烟口，此时RSET曲线均在ASET曲线以下，不受火灾威胁。不开启排烟口时，不安全的范围在火灾下游，当楼梯间距为60、80、100 m时，不安全范围分别为200、200、400 m； 只开启下游排烟阀时，因烟气被控制在下游，不安全的范围也在火灾下游，当楼梯间距为60、80、100 m时，不安全范围分别为0、50、75 m。综上，当隧道发生火灾时，应优先选择同时开启上下游排烟口的方式，其次考虑只开启下游排烟口。

(a)纵向排烟(b)半横向重点排烟(同时开启上下游排烟口)(c)半横向重点排烟(只开启下游排烟口)

图11 3种排烟口开启策略下ASET与RSET对比曲线

Fig. 11 Curves of ASET and RSET under 3 smoke vent opening strategies

4 结论与讨论

1)针对妈湾跨海盾构段工程，不同疏散模式下，疏散口间距对人员疏散有影响，建议妈湾跨海隧道盾构段疏散楼梯最佳间距设为80 m，滑梯最佳间距设为60 m； 在“横通道+楼梯”组合疏散模式下，当楼梯间距为60～80 m时，人行横通道间距可在240～280 m取值； 当楼梯间距为80～90 m时，人行横通道间距不宜过大，应控制为200～240 m。

2)在相同条件下，楼梯的疏散时间比滑梯时间长，随着2种疏散工具间距的增大，疏散时间也在增大，其中间距为60～70 m时疏散时间增加幅度最大，故在此疏散间距下建议使用滑梯进行疏散。

3)隧道发生火灾时，开启不同位置的排烟阀对不安全范围的位置和大小有较大的影响。综合考虑，隧道内发生火灾时应该优先考虑同时开启上下游排烟口，其次考虑只开启下游排烟口。

4)Pathfinder软件没有考虑隧道内温度和通风情况对人员疏散的影响，而且模型只是对实际隧道的近似模拟，故与实际条件相比有一定的误差，这些需要在后续工作中进一步完善。

参考文献(References)：

[1] 李冬. 特长水下铁路隧道火灾蔓延规律的模型试验研究[D]. 长沙： 中南大学， 2010.

LI Dong. Model test study of fire spreading law of extra long underwater railway tunnel[D]. Changsha：Central South University， 2010.

[2] 方正, 黄松涛, 袁建平, 等. 城市水底隧道人员疏散方式的比较[J]. 铁道工程学报, 2008(11): 82.

FANG Zheng， HUANG Songtao， YUAN Jianping， et al. The comparison of evacuation methods in city underwater tunnel [J]. Journal of Railway Engineering Society, 2008(11): 82.

[3] 徐永, 廖少明, 李伟平. 钱江隧道火灾疏散可靠性分析[J]. 公路交通科技, 2015(2): 108.

XU Yong, LIAO Shaoming, LI Weiping. Analysis on fire evacuation reliability of Qianjiang River Tunnel[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2015(2): 108.

[4] 李削云, 马险峰, 王俊淞. 公路隧道火灾逃生疏散研究[J]. 中国安全科学学报, 2011(5): 66.

LI Xiaoyun, MA Xianfeng, WANG Junsong. Research on evacuation and rescue in road tunnel under fire[J]. China Safety Science Journal, 2011(5): 66.

[5] 张玉春, 向月, 何川, 等. 公路隧道横通道人员疏散行为及通行能力实验研究[J]. 西南交通大学学报, 2016, 51(4): 615.

ZHANG Yuchun, XIANG Yue, HE Chuan, et al. Experimental study of pedestrian behavior and traffic capacity of cross passage in highway tunnel[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2016, 51(4): 615.

[6] 陈长坤, 徐志胜. 长大公路隧道火灾安全疏散性能化设计与分析[J]. 中国工程科学, 2007(9): 78.

CHEN Changkun, XU Zhisheng. Performance-based fire protection designs and analyses for occupant evacuations in super-long road tunnels[J]. Engineering Sciences, 2007(9): 78.

[7] 方银钢, 朱合华, 闫治国. 上海长江隧道火灾疏散救援措施研究[J]. 地下空间与工程学报, 2010, 6(2): 418.

FANG Yingang, ZHU Hehua, YAN Zhiguo. Research of evacuation and rescue measures in Shanghai Yangtze River Tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2010, 6(2): 418.

[8] RONCHI E, COLONNA P, CAPOTE J, et al. The evaluation of different evacuation models for assessing road tunnel safety analysis[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2012, 30(4): 74.

[9] 张先富. 妈湾跨海隧道排烟技术及人员疏散研究[D]. 成都： 西南交通大学, 2017.

ZHANG Xianfu. Study of smoke extraction technology and evacuation of Mawan Cross-sea Tunnel[D]. Chengdu：Southwest Jiaotong University, 2017.

[10] 机动车类型术语和定义： GA 802—2014[S]. 北京： 中国标准出版社， 2014.

Types of motor vehicle-terms and definitions： GA 802-2014[S]. Beijing.: Standards Press of China, 2014.

[11] MU Nan, SONG Weiguo, QI Xinxin, et al. Simulation of evacuation in a twin bore tunnel: Analysis of evacuation time and egress selection[J]. Procedia Engineering, 2014, 71(1): 333.

[12] 甘廷霞, 江梦梦, 张泽江. 海底公路隧道纵向疏散模式研究[J]. 消防科学与技术, 2015, 34(4): 460.

GAN Tingxia, JIANG Mengmeng, ZHANG Zejiang. Study of the longitudinal evacuation of undersea road tunnel[J]. Fire Science and Technology, 2015, 34(4): 460.